Rugalmas MOCVD-rendszer moduláris kialakítása PC-alapú vezérlés révén
Agnitron: kettős felhasználású rendszer új félvezető anyagok kutatásához és gyártásához
Az Agnitron vállalat által kifejlesztett, kettős felhasználású, Agilis elnevezésű gép fémorganikus kémiai gőzfázisú leválasztással (MOCVD) állít elő gallium-arzenid félvezető anyagot. Ezenfelül
a rendszer szükség esetén átállítható más anyagok gyártására is. A Beckhoff PC-alapú automatizálási technológiájával az Agnitron az elvárt nagyfokú megbízhatóságon kívül rugalmas skálázhatósággal is igyekszik megfelelni mind a kutatás-fejlesztéssel foglalkozó szakmai műhelyek, mind a kis- és közepes méretű gyártóüzemek különféle felhasználói igényeinek.
A gallium-oxid (Ga2O3) széles körű és izgalmas lehetőségeket rejt magában, többek között a fogyasztói elektronikában használt nagyfeszültségű kapcsolók kialakítása és gyártása terén. Feltárásra vár még azonban, hogy mik a képességei és a felhasználási lehetőségei ennek a rendkívül széles tiltott sávval rendelkező vegyületnek.
Ez a kutatók, például Dr. Sriram Krishnamoorthy feladata, aki a Utah-i Egyetem villamos- és számítástechnikai adjunktusa.
1. ábra A TwinCAT 3 automatizálási szoftver segítségével kifejlesztett Imperium-MOCVD™ szoftver lehetővé teszi a gépi logika C# nyelven, Microsoft Visual Studio® környezetben történő fejlesztését
Az ilyen kutatás egyik korlátja a rendelkezésre álló MOCVD-gépek minősége: ezek nem feltétlenül elégítik ki a gallium-oxid megfelelő kezeléséhez szükséges testreszabási, megbízhatósági és árkövetelményeket. Krishnamoorthy az új rendszerek keresése során felfigyelt a félvezető vegyületek kutatásával és fejlesztésével foglalkozó Agnitron vállalat Agilis platformjára.
A Minnesota államban, Chanhassen városában székelő Agnitront Andrei Osinsky elnök-vezérigazgató alapította 2008-ban. Míg sok más, MOCVD-gépeket gyártó cég főként a nagy ipari tendenciákra, például LED-ek előállítására kezdett szakosodni, az Agnitron azoknak a piaci szegmenseknek kínált új megoldásokat, amelyek igényeit az ipar nem elégítette ki. Azóta a vállalat a béta-gallium-oxid felhasználási lehetőségeinek vizsgálatára irányuló saját kutatást végzett, és a rendszereihez kifejlesztette a MOCVD™ szoftvert, valamint a gyártás közbeni mérésekre alkalmas Agnitemp™ méréstechnikát. A vállalat kettős felhasználású, Agilis elnevezésű gépe minimális módosításokkal mindössze néhány nap alatt átállítható gallium-oxid helyett III-nitrid anyagok növesztésére – erre jelenleg egyetlen más MOCVD-gép sem képes. A PC-alapú, rugalmas és moduláris automatizálási technológia megkönnyítette ennek a többszörös felhasználású platformnak a kifejlesztését.
2. ábra Az Agilis alapkonfigurációját a Beckhoff CX2040 típusú, négymagos Intel® Core™ i7 processzorral szerelt beágyazott PC-je vezérli
Kulcsfontosságú a költségek kézben tartása és a megbízhatóság
Az új MOCVD-gépek ára könnyen meghaladhatja az egymillió dollárt is. Még a kettős felhasználás ellenére is jelentős beruházást követel meg az Agilis beszerzése, az Agnitron ügyfelei azonban jellemzően nem rendelkeznek akkora költségkerettel, mint a félvezetőgyártó óriáscégek. Egyre fokozódik azonban az igény a kutatás és különösen a gyártás terén magas szintű elvárások kielégítésére, a kristálynövesztési technikák betartására. Ivan Yunchyk, az Agnitron vezérlési és automatizálási igazgatója ezzel kapcsolatban a következőket fejtette ki: „A piacon, ahol működünk, árverseny van. Előnyünkre szolgál, ha sokoldalú megoldásokat kínálunk a lehető legalacsonyabb áron, ugyanakkor minden rendszerelemünknek rendkívül megbízhatónak kell lennie, és megismételhetően kell működnie.”
Dr. Dmitri Volovik, az Agnitron főmérnöke hozzátette: „Ebben az iparágban a legnagyobb dicséret az, ha az ügyfél azt mondja, hogy a gép pontosan ugyanúgy működik, ahogyan korábban. Ezek az ügyfelek dollármilliókat és több évnyi fejlesztési munkát fordítanak folyamatok kidolgozására, ezért olyan új rendszereket akarnak, amelyek úgy programozhatók, hogy pontosan és tervezetlen leállások nélkül betartsák a félvezető-receptúrákat”. Mindez annyira kritikus, hogy amikor az Agnitron megbízhatósági problémákat tapasztalt egy korábbi gyártó automatizálási és vezérlőrendszereinél, az ügyfélvesztés küszöbén állt – ezt a veszélyt a közeli Savage városában (Minnesota) székelő Beckhoff Automation új megoldásaival tudta elhárítani.
3. ábra A nagyobb számítási igényű gyártóüzemek számára az Agnitron a négymagos, 2,2 GHz órajelű Intel® Xeon® processzorral és 1 TB kapacitású SSD-meghajtóval szerelt, CX2040 típusú beágyazott PC-t kínálja
Egyedi felhasználói igényekhez igazítható moduláris rendszer
Az Agilis rendszer kialakításának középpontjában a modulrendszerű felépítés állt, ennek megfelelően két különböző vezérlési megoldással rendelhető: Beckhoff CX2042 típusú beágyazott PC-vel, amely négymagos Intel® Xeon® processzort tartalmaz, vagy Beckhoff CX2040 típusú beágyazott PC-vel, amely négymagos Intel® Core™ i7 processzorral rendelkezik. „Az alapkonfigurációt képviselő CX2040 kielégíti a kutatás-fejlesztési igényeket” – magyarázta Dmitri Volovik. – „Egyre sokasodó gyártóipari ügyfélkörünknek azonban több memóriára és gyorsabb feldolgozási sebességre volt szüksége. Imperium szoftverünknek és SQL-alapú adatbázis-kezelőnknek ugyanazon a környezeten kell futnia, valamint támogatnia kell a nagyobb adatmennyiségeken végezhető összetettebb műveleteket is, az Agnitemp™ méréstechnikai követelményeivel együtt – ehhez a folyamatos működésű gyártóüzemek számára optimális vezérlő a Xeon® processzorral és 1 TB kapacitású SSD-meghajtóval szerelt CX2042.
Számos felújítási és átalakítási projektnél is előnyös lehet a kedvezőbb árú CX2040. Ahol azonban a meglévő PLC-rendszerek elfogadhatóan működnek, a régi PC-k egyszerűen lecserélhetők a Beckhoff C5102 típusú, szekrénybe építhető ipari PC-ire. A félvezető-növesztési eljárások mindkét esetben megbízhatóan megőrizhetők, mivel a Beckhoff hardverei és szoftverei visszafelé kompatibilisek.
A beágyazott PC-ken futtatott TwinCAT 3 automatizálási szoftvernek köszönhetően a gépi kód C# nyelven, Visual Studio környezetben is megírható. Mivel a beágyazott PC egy Windows-alapú eszköz, telepíthető rá az Imperium vezérlőszoftver, és helyileg elmenthetők rajta az adatok. A különálló számítógép és PLC helyett PC-alapú vezérlőrendszert használó, Agilis nevű gép mintegy 10 000 dollár értékű hardvert takarít meg.
4. ábra Az Agnitron Agilis elnevezésű gépcsaládja optimális MOCVD-platform mind kutatás-fejlesztési célokra, mind a kis volumenű félvezetőgyártás számára
Valósidejű hálózati képességek kisebb helyigény mellett
Az Agilis további előnye, hogy az EtherCAT-buszrendszer révén valósidejű hálózati képességekkel rendelkezik. Az Agilis rendszerhez nagy sűrűségű, EL3318 típusú EtherCAT-terminálok segítségével terminálonként nyolc-nyolc hőelem csatlakoztatható – ez létfontosságú a béta-gallium-oxiddal és más összetett félvezető-anyagokkal végzett munkához. Ezen terminálok és a többi 16-csatornás be/kimeneti egység felhasználásával kis helyfoglalású gép alakítható ki. „A vezérlőszekrényekben hihetetlenül szűk a hely, különösen egy kisebb, kutatás-fejlesztési célú rendszerben” – fejtette ki Dmitri Volovik. – „Itt hatalmas előnyt jelent az EtherCAT be/kimeneti terminálok és a Beckhoff beágyazott PC-k kompakt kivitele.”
Míg korábban a DeviceNet volt a félvezetőipar széles körben elfogadott normarendszere, mára az EtherCAT – az ipar vezető hálózati rendszere – vált gyakorlatilag szabvánnyá ezen a területen. A meglévő rendszerekben használt EL6752 típusú DeviceNet master/slave-terminál hidat képez az EtherCAT és a DeviceNet-alapú terepi eszközök között. Dmitri Volovik kifejtette, hogy az EtherCAT egyszerűsíti a műszaki tervezést is: „Ma egy DeviceNet-alapú hálózatot órák alatt lehet integrálni az EtherCAT ipari Ethernet és a TwinCAT automatiziálási szoftver segítségével. Az előző gyártó megoldásaival ugyanez általában egy teljes hetet vett igénybe.”
Sriram Krishnamoorthy kutató meggyőződése, hogy a kettős felhasználású Agilis rendszer lehetőségei alapvető változást hoznak a kutatószervezetek és a félvezetőipar számára: „Ilyen képességekkel jelenleg egyik beszerezhető platform sem rendelkezik. Vannak folyamatban lévő megbízásaim III-nitrid és gallium-oxid rendkívül nagyfeszültségű, vertikális rétegszerkezetű eszközökbe történő integrálásának kutatására, és ez a platform megfizethető árú lehetőség mind a saját kutatásom, mind sok más intézmény projektjei számára.”
BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 9940
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.hu
www.agnitron.com
még több Beckhoff
